DE2514013A1 - Strahlungsempfindliches halbleiterbauelement - Google Patents

Description

• "Strahlungseznpfindliches Halbleiterbauelement" Die Erfindung bezieht sich auf ein strahlungsmpfind1iches Halbleiterbauelement mit einem überwiegend aus unterschiedlich dotierten Halbleiterschichten bestehenden Haibleiterkörper und einer von den Haibleiterschichten eingeschlossene Tunnelzone, in der durch auftreffende Strahlung Tunnelübergänge von Ladungsträgern induziert werden können.
• Es sind bereits strahlungsempfindliche Halbleiterbauelemente (Photodioden) bekannt, mit einem überwiegend aus unterschiedlich dotierten Halbleiterschichten bestehenden Halbleiterkörper und einer von den Halbleiterschichten eingeschlossener Zone, in der durch auftreffende Strahlung Ladungsträger erzeugt werden können. Bei diesen bekannten Halbleiterbauelementen sind åedoch an sich gegensätzliche Forderungen nach hohem Quantenwirkunggrad bei gleichzeitig hoher Grenzfrequenz im allgemeinen nur unvollkommen realisiert.
• Insbesondere als Lichtempfänger in breitbandigen optischen Nachrichtenübertragungssystemen wird aber ein strahlungsempfindliches Halbleiterbauelement verlangt, das für den empfang der in diesen Nachrichtenübertragungssystemen übertragenen äußerst kurzen Lichtimpulse geeignet ist und dabei noch gleichzeitig einen hohen Quantenwirkungsgrad bei der Umwandlung der auftreffenden optischen Strahlung in elektrische Ladungsträger aufwezt.
• Der Erfindung liegt dern?ach die Aufgabe zugrunde, ein strablungsempfindliches Halbleiterbauelement mit hoher Grenzfrequenz und großem Quantenwirkungsgrad anzugeben. Ausgehend von einem strahlungsempfindlichen Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die die Tunnelzone einschläeßenden Halbleiterschichten des Halbleiterkörpers als Wellenleiter für auf den Halbleiterkörper auftreffende Strahlung ausgebildet sind.
• Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfinc>ng sind in den Unteransprüchen beschrieben.
• Ein strahlungsepfindliches Halbleiterbauelement nach der Erfindung bietet insbesondere den Vorteil, daß es eine sehr hohe Grenzfrequenz aufweist, das heißt, daß beispielsweise noch kurze Lichtimpulse mit einer Bitfolgefrequenz von 1 Gbit/sec. und darüberhinaus noch in zufriedenstellender Weise in entsprechende elektrische Signale umgewandelt werden können. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der die eigentlich lichtePpSindliche Zone einschlicßenden Halbleiterschichten als optischer Wellenleiter wird erreicht, daß die auf den Halbleiterkörper aiftreffende Strahlung vornehmlich in die unxittelbare Nachbarschaft der lichtenpfindlichen Zone konzentriert wird, wodurch sich ein großer Quantenwirkungsgrad erreichen läßt.
• Die Tunnelzone befindet sich beispielsweise zwischen einer pdotierten und einer n-dotierten Schicht des Halbleiterkörpers.
• Der durch diese Schicht fließende Strom ist ein Tunnelstrom.
• Durch auftreffende Strahlung wird den Ladungsträgern Energie zugeführt und dadurch die Übergangswahrscheinlichkeit der Ladungsträger bezüglich des Durchtritts durch die Tunnelzone erhöht. Dadurch ergibt sich eine Vergrößerung des Tunnelstroms.
• Die Erfindurg wird rachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. In der Figur ist ein aus unterschiedlich dotierten Halbleiterschichten 1 bis 5 bis 5 bestehender Halbleiterkörper dargestellt, bei dem von den mit 2 und 4 bezeichneten Halbleiterschichten eine Zene 1 eingeschlossen wird, die von Ladungsträgern dann leichter überquert werden kann, wenn diese Ladungsträger zuvor in der Schicht 2 und/oder 4 durch Absorption eines Lichtquants energiereicher geworden sind. Beispielsweise sind die Schichten 2 und 3 mit unterschiedlicher Konzentration p-dotiert, während die Schichten 4 und 5 mit unterschiedlicher Konzentration n-dotiert sind.
• ticbtsignale in entsprechende elektrische Signale urgewandelt, die über die mit 6 und 8 bezeichneten Kontakte abgegriffen weren Knnen. ach der Erfindung ist die mit 1 bezeichnete Zone als Tunnelzone ausgebildet. Strahlungsempfindliche Halbleiterbauelemente mit einem Diodenaufbau, der eine Tunnelzone einschlie2t, sind an sich bekannt (Physical Review, V31 109, 5.603, 1958). Eine derartige Tunnelzone kann beispielsweise als dünne p-n-Sperrschicht zwischen p-dotiertem und n-dotierte- Halbleiterraterial wie Silizium oder Germanium ausgebildet sein Unter dem Einfluß eines aucreichend hohen elektrischen Feldes können Ladungsträger, insbesondere Elektronen aus dem n-Qotierten Bereich den verbotenen Bereich (Bandermodell der Halbleitertechnik) der Sperrschicht durchtunneln. Damit der Tunneleffekt auftritt, darf die Dicke der pn-Sperrschicht einen Wert von etwa 100 bis 150 Ångströmeinheiten nicht wesentlich überschreiten.
• Der Tunneleffekt tritt auch dann auf, wenn zwei Halbleiterschichten durch eine sehr dünn@ dielektrische Schicht voneinander getrennt sind. Auch ein derartiger Schichtaufbau kann in einem Halbleiterbauelement nach der Erfindung angewendet werden. Ein besonderer Vorteil, der sich durch die Ausnutzung des Tunneleffekts gegenüber herkömmlichen strahlungsempfindlichen Halbeinem leiterbauelementen mit üblichen pn-Übergang ergibt, ist die sehr hohe Grerzfrecuenz, die mit einem derartigen Halbleiterbeuelemert erreichbar ist Während bei bekannten Photodioden die nach der Prirzip des Srerrschicht-rhotoeffektes arbeiten, die obere Grenzfrequenz im wesentlichen durch die Driftzeit der Minoritätsladungsträger durch eine Ra-anladungezone und die Lebensdauer der durch Strahlungseinfall erzeugten Minoritätsladungsträger begrenzt ist, unterliegt eine Photodiode, die den Tunneleffekt ausnutzt, derartigen Beschränkungen nicht. Aus diesem Grund verspricht ein strahlungsempfindliches Halbleiterbauelement mit einer Tunnelzone besonders große Vorteile für den Empfang von Lichtipulsen, die mit hoher Bitfolgefrequenz in breitbandigen optischen Nachrichtenübertragungssystemen übertragen werden. Ein strahlungsempfindliches Halbleiterbauelement, das lediglich eine derartige Tunnelzone aufweist, ist jedoch als Lichtempfänger für Lichtimpulse von geringer Intensität nicht besonders geeignet, weil ein solches Halbleiterbauelement einen relativ geringen Quantenwirkungsgrad hat. Dies beruht im wesentlichen darauf, daß wegen der äußerst geringen Dicke der Tunnelzone nur eine relativ geringe Wechselwirkung mit der einfallenden Strahlung möglich ist. Zur Vermeidung dieses Nachteils ist ein strahlungsempfindliches Halbleiterbauelement erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die die Tunnelzone einschließenden Halbleiterschicbten des Hzlbleiterkörpers als Wellenleiter ausgebildet sind.
• Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß die UL-mittelbar an die Tunnelzone n angrenzenden Schichten 2 und 4 des Halbleiterkörpers einen höherer. Wert der Brechzahl aufweisen, als die weiter außen liogenden Schichten 3 und 5 des Halbleiterkörpers. Ein geeigneter Brechzahlverlauf kann in an sich bekannter Weise durch eine geeignete Materialauswahl oder durch unterschiedliche Dotierung der Halbleiterachichten erreicht werden. Wenn die die Tunnelzone einschließenden halbleiterschichten erfindungsgemäß als Wellcnleiter ausgebildet werden, wird auf den Ralblelterkörper auffallende Strahlung in wesentlichen auf Bereiche konzentriert, die der Tunnelzone 1 unmittelbar benachbart sind. Ein Eindringen der Strahlung in die mit 3 und 5 bezeichneten Schicht des Halbleiterkörpers, was lediglich zu Absorptionsverlusten führen würde, wird verhindert. Durch diese Maßnahme steht der größte Anteil der auffallenaen Strahlung zur Auslösung der gewünschten Tunnelereignisse zur Verfügung, was einen wesentlich höheren quantenwirkungsgrad zur Folge hat.
• Ein erfindungsgemäß ausgebildetes Halbleiterbauelement hat eine hohe Grenzfrequenz und ist äußerst lichtempfindlich, so daß es besonders als Lichtempfänger in breitbandigen optischen Nachrichtenübertragungssystemen geeignet ist, in denen äußerst lichtachwache Impulse, die jedoch mit einer hohen Bitfolgefrecuenz übertragen werden, empfangen werden müssen.
• Neben dem bereits vorstehend ausführlich beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Tunnelzone als äußerst dünne pn-Sperrschicht zwischen zwei p- bzw. n-dotienten Halbleiterschichten ausgebildet ist, kann ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung @ine Tunnelzon in Form einer äußerst dünnen dielektrischen Schiebt zwischen zwei unterschiedlich dotierten Halbleiterschichten aufweisen. Bezüglich der Wellenleiterstruktur der angrenzenden Halbleiterschichten unterscheidet sich dieses Ausführungsbeispiel nicht von dem zuvor beschriebenen.

Claims (5)

Petentansprüche

1. Strahlungsempfindliches Halbleiterbauelement mit einem aus unterschiedlich dotierten Halbleitersahichten bestehenden Halbleiterkörper und einer von den Helbleitsrsehichten eingeschlossenen Tunnel zone, in der durch auftrefienae Strehlung Tunnelübergänge von Ladungsträgern indtziert werden können, dadurch gekennzeichnet, daß die die Tunnelzene einschließenden Halbleiterschchten des Halbleiterkörpers als Wellenleiter für auf den Halbleiterkörper auftreffende Strahlung ausgebildet sind.

2. Strahlungsempfindliches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tunnelzone (1) durch eine dünne pn-Sperrschicht zwischen zwei unterschiedlich dotierten Halbleiterschichten (2, 4) gebildet ist, und daß diese Halbleiterschichten (2,4) einen höheren Brechungsindex aufweisen, als die an diese Halbleiterschichten (2,4) grenzenden Halbleiterschichten (3,5).

3. Strahlungsempfindliches Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch g@kannzeiehnet, daß die Di@ke der zwisechen den Halbleiterechichten (2,4) angeordneten pn-Sperrschicht einen Wert ven @tws 100 his 150 Årgströmeinheiten nicht wesentlich überschreitet.

4. Helbleiterbauelsment nach Anspruch 1, dadurch gekenzeichnst, daß die Tunnelzone (1) als dünne dielektrische Schicht zwischen angrenzenden, unterschiedlich dotierten Halbleiterschichten (2,4) ausgebildet ist.

5. Strahlungsempfindliches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch eine Tunnelzone (1) einschließende, einen Wellenleiter bildende Halbleiterschichten (2,4), die einerseits von einer weiteren, unterschiedlich dotierten Halbleiterschicht (5) und andererseits von einer sperrschichichtfreier. Metallschicht (3') begrenzt sind.